(57)【要約】【課題】極小液量・小出力の領域での使用に適し、耐久性に優れ、小型・コンパクトであり、且つ生産性の良好なギヤポンプを提供すること。【解決手段】モータケーシング１０内に、モータ固定子１１と、該モータ固定子１１の外側に回転自在に配置されたモータ回転子１２とを配置し、モータケーシング１０に気密状態で連結され、吸込口３４及びポンプ吐出口３５を有するポンプケーシング３０内に、軸体２１の一端に取り付けられた駆動歯車３２と、従動歯車３３を配置し、駆動歯車３２と従動歯車３３によって吸込口３４から吸込まれ、昇圧される取扱液をモータケーシング１０内に導くための流路をポンプケーシング３０に設け、モータ固定子１１にその内部に該取扱液が浸入するのを防止する固定子キャン１５を、モータ回転子１２にその内部に該取扱液が浸入するのを防止する回転子キャン２０を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータケーシング内に、モータ固定子と、該モータ固定子に設けられた軸受に支承される軸体を介して該モータ固定子の外側に回転自在に配置されたモータ回転子とを配置し、
前記モータケーシングに気密状態で連結又は該モータケーシングと一体に形成され、吸込口及びポンプ吐出口を有するポンプケーシング内に、前記軸体の一端に取り付けられた駆動歯車と、該駆動歯車と噛み合うことにより回転する従動歯車を配置し、
前記駆動歯車と従動歯車によって前記吸込口から吸込まれ、昇圧される取扱液を前記モータケーシング内に導くための流路を前記ポンプケーシングに設け、前記モータ固定子にその内部に該取扱液が浸入するのを防止する固定子キャンを、前記モータ回転子にその内部に該取扱液が浸入するのを防止する回転子キャンを設けたことを特徴とするギヤポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のギヤポンプにおいて、
前記ポンプケーシングが前記モータケーシングの上部に配置され、且つ前記吸込口及び吐出口が該ポンプケーシングの上部に設けられていることを特徴とするギヤポンプ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のギヤポンプにおいて、
前記モータ回転子に流体が通過する貫通穴を設けたことを特徴とするギヤポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はギヤポンプに係り、特にモータと一体に構成され、高機能化・高性能化されたギヤポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小流量の割に高い圧力が求められる用途、特に毎分１リットル以下の流量範囲で使用されるポンプ用途には、ギヤポンプが多く使用されている。これは、遠心式ポンプ（非容積式ポンプ）では、比速度Ｎｓの値が極めて小さな値となる領域であり、実際上の設計対応が困難であることが一因である。例えば、流量が毎分１リットル、揚程が１０メートルの遠心式ポンプを毎分１２０００回転速度で設計した場合、比速度Ｎｓの値が６７（ｍ3／ｍｉｎ，ｍ，ｍｉｎ-1）となる。一般に比速度Ｎｓの値が７０以下になると遠心式ポンプの効率が著しく低下することが知られている。なお、この場合の羽根車外径は２５ｍｍ程度となる。
【０００３】
ギヤポンプ（外歯式）は、潤滑油ポンプ、燃料ポンプなどとして広く用いられている。２枚の歯と周壁とで作られた空間に閉じ込められた流体は、歯車の回転によって吸込側から吐出側に運ばれる。この空間が吐出側から吸込側に戻るときには、この空間に他方の歯車の歯が侵入して流体を追出すから、流体は歯車の歯と共に回転して吸込側に戻ることができず吐出口から外に吐出される。
【特許文献１】特開２０００−３２０４７１号公報
【特許文献２】特開平７−２７０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のギヤポンプは、ポンプ部分にメカニカルシールなどの軸封装置を備えているものが大半であった。このため、軸動力が１０Ｗ以下の極小容量のポンプでは、軸動力の多くを軸封装置の摺動トルクによって消費してしまい、総合効率は必ずしも良好でなかった。他方、小規模の各種冷却装置などでは、長寿命化・メンテナンスフリー化のニーズが高まってきており、このため、装置に搭載するポンプについても、メカニカルシールなどの消耗部品の無い、長寿命の製品が望まれるようになってきた。そして、このような用途ではポンプが常時連続で運転されている場合が多く、このため、省エネルギー化の観点から高効率なポンプが求められている。
【０００５】
また、潤滑油や燃料用のポンプの場合は、水に比較し取扱液の粘性が高く、且つ、電気絶縁性も良好なため、各部の耐久性を確保しやすいが、最近増えている純水・超純水を用いたシステムでは、特に耐久性の確保が難しかった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、極小液量・小出力の領域での使用に適し、耐久性に優れ、小型・コンパクトであり、且つ生産性の良好なギヤポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、モータケーシング内に、モータ固定子と、該モータ固定子に設けられた軸受に支承される軸体を介して該モータ固定子の外側に回転自在に配置されたモータ回転子とを配置し、モータケーシングに気密状態で連結又は該モータケーシングと一体に形成され、吸込口及びポンプ吐出口を有するポンプケーシング内に、軸体の一端に取り付けられた駆動歯車と、該駆動歯車と噛み合うことにより回転する従動歯車を配置し、駆動歯車と従動歯車によって吸込口から吸込まれ、昇圧される取扱液をモータケーシング内に導くための流路をポンプケーシングに設け、モータ固定子にその内部に該取扱液が浸入するのを防止する固定子キャンを、モータ回転子にその内部に該取扱液が浸入するのを防止する回転子キャンを設けたことを特徴とするギヤポンプにある。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のギヤポンプにおいて、ポンプケーシングがモータケーシングの上部に配置され、且つ吸込口及び吐出口が該ポンプケーシングの上部に設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のギヤポンプにおいて、モータ回転子に流体が通過する貫通穴を設けたことを特徴とする。
【００１０】
ギヤポンプに上記構成を採用することにより、モータ固定子をモータ固定子の外側に配置したアウターロータ型モータの特徴である低速回転時の安定性を生かし、低速回転時でも脈動の少ないギヤポンプを提供できる。また、メカニカルシール等の軸封装置を必要としないことから、軸封装置での機械的ロスが無く、且つ耐久性にも優れたギヤポンプを実現できる。
【００１１】
モータケーシング内に取扱液が満たされる構造になっており、モータケーシング内でモータ固定子に設けられた軸受は取扱液によって効果的に潤滑されるから、耐久性が確保される。この時、モータケーシング内に空気などの気体が残っていると、遠心分離作用によって該気体は軸心に集まり、軸受摺動部の潤滑が阻害されるが、モータ回転子に流体が通過する貫通穴を設けたことにより、気体は取扱液の流入と入れ替わり排出されるため、気体がモータケーシング内に残留することが無く、軸受の潤滑は常に良好な状態に維持される。
【００１２】
また、ポンプケーシングをモータケーシングの上部に配置し、吸込口及び吐出口をポンプケーシングの上部に設けることにより、モータケーシング内部及びポンプケーシング内にポンプ運転初期に存在する空気等の気体は容易にポンプの外部に排出することができる。ポンプ内部の気体は摺動潤滑の阻害になるだけでなく、ポンプ脈動の原因ともなる。また、温度上昇時には内部圧力の急激な上昇の原因となるため、該気体はポンプ運転初期は速やかに外部に排出することが重要なこととなる。
【発明の効果】
【００１３】
各請求項に記載の発明によれば、極小液量・小出力の領域での使用に適し、耐久性に優れ、構造が簡単で、小型・コンパクトであり、且つ生産性の良好なギヤポンプを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１乃至図５は本発明に係るギヤポンプの構成例を示す図で、図１はギヤポンプ全体の断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視断面図、図４は図１のＣ−Ｃ矢視断面図、図５は図１のＤ−Ｄ矢視断面図である。本ギヤポンプはモータ部Ｍとポンプ部Ｐとで構成されている。
【００１５】
モータ部Ｍはモータ回転子１２に永久磁石を用いたＤＣブラシレスモータであり、モータケーシング１０を具備し、該モータケーシング１０内にモータ固定子１１とモータ回転子１２が収容配置されている。モータ固定子１１は中心部に鞘形状突起部１３ａを有するエンドカバー１３の該突起部１３ａの外周面に内周側を嵌着させ、安定確実に固定されている。該エンドカバー１３は例えばアルミダイキャスト製でモータケーシング１０の下端に取り付けられ下端開口を閉塞している。１５は中心部に鞘形状突起部１５ａを有する固定子キャンであり、該固定子キャン１５はその中心部の鞘形状突起部１５ａの外周面がエンドカバー１３の該突起部１３ａの内周面に嵌着し、且つ内周面がモータ固定子巻線１４の外周面に嵌着している。
【００１６】
固定子キャン１５の鞘形状突起部１５ａの奥底と手前が軸受ハウジングとなっており、該２つの軸受ハウジングに軸受１６、１７が圧入により固定されている。軸受１６、１７は所謂滑り軸受であり、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの樹脂材料によって構成されている。軸受１６、１７は互いに用途に応じた形状となっており、鞘形状突起部１５ａの手前の軸受１６（以下「前軸受」と記す）は、モータ回転子１２のラジアル荷重及びアキシャル荷重を支承している。アキシャル荷重を支承するため、外径を大きくしている。
【００１７】
また、鞘形状突起部１５ａの奥底の軸受１７（以下「後軸受」と記す）は、ラジアル荷重のみを支承し、モータ回転子１２の振れを最小限に抑える作用を奏する。この後軸受１７は鞘形状突起部１５ａの内部に構成されるため、外径を大きくすることができない。従って、全長を伸ばし、前軸受１６と同等のＰＶ値を有するように構成されている。このように構成することにより、前軸受１６と後軸受１７の間に耐久性に違いが生じないようにしている。各軸受の外周面には、一部平面加工を施すことで回り止め構造を設けてもよい。軸受ハウジング部を樹脂化した際には、線膨張の差で軸受が軸受ハウジングに対してゆるむことも考えられ、回り止め構造は重要である。
【００１８】
モータ回転子１２を構成するネオジウム製の永久磁石１８の外周部には、回転子フレーム１９が接着若しくは嵌着によって固定されている。該回転子フレーム１９は例えばステンレス合金製とする。また、永久磁石１８を覆うように回転子キャン２０が設けられている。この回転子キャン２０は回転中の脱落を防止するため、例えば回転子フレーム１９の一部を折り曲げる等の処置が施されている。回転子フレーム１９は固定子キャン１５の鞘形状突起部１５ａに固定された前軸受１６、後軸受１７に支承される軸体２１に圧入、溶接等により確実に固定されている。回転子フレーム１９はプレス成形等の加工により容易に製作することで量産時のコストダウンを図ることができる。
【００１９】
また、アウターロータ型のモータは回転体であるモータ回転子１２が大きく、その質量は消費電力を大きく左右するため、回転子フレーム１９をプレス成形等の加工により薄形状とすることで、モータ回転子１２の全体重量を軽減することができ、消費電力の軽減を図り、前軸受１６と後軸受１７の長寿命化に貢献することにもなる。
【００２０】
モータ回転子１２の内周部に設けられた回転子キャン２０、及びモータ固定子１１の外周部に設けられた固定子キャン１５は非金属である樹脂材料で構成されているため、これら回転子キャン２０、及び固定子キャン１５には渦電流が発生せず、渦流損がない分モータは高効率となる。モータ回転子１２の内周部に回転子キャン２０を設けたのはモータ回転子１２を構成する永久磁石１８に取扱液が浸入し、該永久磁石１８を腐食させないようにするためであり、モータ固定子１１の外周部に固定子キャン１５を設けたのはモータ固定子巻線１４部に取扱液が浸入しないようにするためである。
【００２１】
モータ部Ｍを上記のように構成することによって、取扱液が電気絶縁性の低い、例えば純水でも使用が可能となっている。なお、モータ固定子１１の外側では、取扱液との間で熱の授受が行われる。即ち、取扱液が常温レベルの場合、モータ固定子１１は良好に冷却される。モータ回転子１２の質量は消費電力を大きく左右することから、回転子キャン２０を樹脂にて構成し、モータ回転子１２の質量を軽減することは消費電力の低減のために極めて重要なことである。
【００２２】
固定子キャン１５、及び前後軸受１６、１７を樹脂材料で構成するため、同一材料を用いて、固定子キャン１５と前後軸受１６、１７の一体化が実現でき、部品数の低減を図ることが可能となる。また、固定子キャン１５を形成時に、一体形成を行うことが可能となる。
【００２３】
固定子キャン１５にはモータケーシング（モータブラケット）１０が嵌着されており、該固定子キャン１５とモータケーシング１０で囲まれた空間でモータ回転子室２２を構成している。モータケーシング１０にはポンプ部Ｐから取扱液が流入する流路２３が設けられている。モータ回転子室２２は取扱液が満たされる構造になっており、モータ回転子室２２内に設けられた前軸受１６及び後軸受１７はこの取扱液によって効果的に潤滑され、耐久性が確保されるようになっている。
【００２４】
この時、モータ回転子室２２に空気等の気体が残留していると、モータ回転子１２の回転による遠心分離作用によって気体が軸心部に集まり、前軸受１６及び後軸受１７の潤滑が阻害されるが、本実施形態例では、モータ回転子室２２を縦型に配置する構造であるため、取扱液は容易にモータ回転子室２２に流れ込み、前軸受１６及び後軸受１７は常に良好な潤滑状態に維持される。また、本実施形態例では回転子フレーム１９の円周直角面に気体及び取扱液の流入孔２４を形成して、モータ回転子室２２内に気体が残留しにくい構造となっている。
【００２５】
外部への取扱液の漏洩、モータ固定子１１部への取扱液の浸入、モータ回転子１２の永久磁石１８部への取扱液の浸入、及びモータ固定子１１のモータ固定子巻線１４部への取扱液の浸入を防止するため、各部品の当接部にはＯリング２５、２６、２７が適宜設けられている。ポンプケーシング３０からモータケーシング１０及びエンドカバー１３までの部品は通しボルト（図示せず）によって締め付け固定されている。
【００２６】
ポンプ部Ｐは、ポンプケーシング３０の内部に内ケーシング３１が設けられ、２重構造となっている。本実施形態例では内ケーシング３１が内ケーシング本体３１ａ、２枚のサイドプレート３１ｂからなり、内ケーシング本体３１ａを挟み込むようにサイドプレート３１ｂ、３１ｂが当接され、内部には駆動歯車３２と、該駆動歯車３２と噛み合うことで回転する従動歯車３３が収容されている。該２つの駆動歯車３２及び従動歯車３３はＰＥＥＫ等の樹脂材料やジルコニア等のセラミック材料で構成されている。ポンプ部Ｐを上記構成とすることにより、前記２つの駆動歯車３２及び従動歯車３３の歯幅と内ケーシング本体３１ａの厚さとを調整することで、駆動歯車３２及び従動歯車３３の歯側面とサイドプレート３１ｂ、３１ｂとの隙間を適切に管理することができ、ギヤポンプにおける性能や効率の向上を図ることができる。
【００２７】
上記２枚のサイドプレート３１ｂ、３１ｂには、２つの駆動歯車３２及び従動歯車３３の軸を支承する軸受貫通穴が形成されている。それぞれ、吸込口３４、吐出口３５が設けられている（図４参照）。２枚のサイドプレート３１ｂ、３１ｂ、及び内ケーシング本体３１ａはそれぞれ、ピンによって位置決めされている。ポンプをこのように構成することにより、内ケーシング本体３１ａが駆動歯車３２及び従動歯車３３の外周部と適切な隙間を確保し、該駆動歯車３２及び従動歯車３３の２つの歯車と内ケーシング３１が接触し、駆動歯車３２及び従動歯車３３や内ケーシング３１に傷や変形を発生させ、性能や効率に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００２８】
また、駆動歯車３２及び従動歯車３３と、内ケーシング本体３１ａ及びサイドプレート３１ｂ、３１ｂは位置決めにより常時固定され、ポンプケーシング３０による支承がなくとも、内ケーシング本体３１ａとサイドプレート３１ｂ、３１ｂの当接面はある程度固定され、ポンプ運転時の状態を保つことができる。このため、ポンプ故障時には内ケーシング３１部のみの交換により対応することができ、生産時の性能試験も内ケーシングのみにて簡易的に行うことで、生産性の向上を図ることができる。
【００２９】
また、性能及び要項の変化に応じて、内ケーシング３１部のみの交換により対応することも可能となる。なお、位置決め手段としては内ケーシング本体３１ａ及びサイドプレート３１ｂ、３１ｂに凹凸部を設けて嵌め合せる手段も含まれる。内ケーシング本体３１ａ及びサイドプレート３１ｂ、３１ｂを樹脂形成によって製作する際には凹凸部を設けて嵌め合せることで部品点数の削減、組立ての容易さという観点から極めて有利である。
【００３０】
内ケーシング３１に用いられる位置決めピンはモータケーシング１０まで貫通しており、内ケーシング３１はモータケーシングに位置決めされている構造となっている。このように構成することによって、ポンプ部分の駆動軸（駆動歯車３２の軸３２ａ）とモータ出力軸（軸体２１）の嵌合部分の芯ずれがなくなり、安定した回転伝達を行うことができる。また、組立時に芯出しを行う必要がなく、生産性の向上と製品の安定供給に貢献することができる。
【００３１】
内ケーシング３１とポンプケーシング３０の軸方向の隙間にはゴムのような弾性体３６を設けている。このように構成することによって、内ケーシング３１とポンプケーシング３０との隙間からの取扱液の漏れを防止することができ、ギヤポンプにおける性能や効率の向上を図ることができる。また、各部品の寸法や組立精度に多少のバラツキが生じても、弾性体３６の締め代によってこのバラツキを吸収することができるため、性能や効率に及ぼす影響を少なく抑えることができ、固体差のない安定した性能を有するギヤポンプを提供することができる。なお、ゴムのような弾性体としては、各種ゴムの他に樹脂エラストマーや液状ガスケットの類も含まれる。
【００３２】
ゴムのような弾性体３６とモータケーシング１０には２枚のサイドプレート３１ｂ、３１ｂの軸受貫通穴に取扱液の圧力が加わるように流路３７、２８が設けられている（図２参照）。このように構成することにより、駆動歯車３２及び従動歯車３３の２つの歯車の両側軸端部には取扱液の圧力が加わり、常時安定した状態で運転され、ギヤポンプにおける性能や効率の向上を図ることができる。
【００３３】
ポンプケーシング３０には、吸込口３４及び吐出口３５が設けられており、該吸込口３４及び吐出口３５はそれぞれ内ケーシング３１に設けられた吸込口３４及び吐出口３５（図４参照）に連通している。
【００３４】
ポンプ部Ｐを上記のように構成することにより、ギヤポンプ運転初期にポンプケーシング３０内やモータケーシング１０のモータ回転子室２２内に存在する気体は容易にギヤポンプ外へ排出することができる。ギヤポンプ内に存在する空気は前軸受１６、後軸受１７、駆動歯車３２及び従動歯車３３の軸の摺動潤滑の阻害となるだけでなく、ギヤポンプの脈動の原因にもなる。また、温度上昇時には内部圧力の急激な上昇の原因となるため、ポンプ運転初期に速やかに外部に排出することが重要なこととなる。ポンプケーシング３０とモータケーシングとの当接部にはＯリング３９が適宜設けられており、モータ部Ｍと共に通しボルトによって固定されている。
【００３５】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態例では、モータケーシング１０とポンプケーシング３０を気密状態で連結する構成としたが、モータケーシング１０とポンプケーシング３０を一体的構成としてもよい。なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るギヤポンプの全体断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図５】図１のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｐ      ポンプ部
Ｍ      モータ部
１０    モータケーシング
１１    モータ固定子
１２    モータ回転子
１３    エンドカバー
１４    モータ固定子巻線
１５    固定子キャン
１６    前軸受
１７    後軸受
１８    永久磁石
１９    回転子フレーム
２０    回転子キャン
２１    軸体
２２    モータ回転子室
２３    流路
２４    流入孔
２５    Ｏリング
２６    Ｏリング
２７    Ｏリング
２８    流路
３０    ポンプケーシング
３１    内ケーシング
３２    駆動歯車
３３    従動歯車
３４    吸込口
３５    吐出口
３６    弾性体
３７    流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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